超顺磁性

超顺磁是磁性的一种形式，出现在小的铁磁性或亚铁磁性纳米粒子中。 在足够小的纳米粒子中，磁化可以在温度的影响下随机翻转方向。 两次翻转之间的典型时间称为 Néel 弛豫时间。

在没有外部磁场的情况下，当用于测量纳米粒子磁化的时间远长于奈尔弛豫时间时，它们的磁化似乎平均为零；据说它们处于超顺磁状态。在这种状态下，外部磁场能够磁化纳米粒子，类似于顺磁体。 然而，它们的磁化率比顺磁体大得多。

通常，任何铁磁或亚铁磁材料在其居里温度以上都会转变为顺磁态。 超顺磁性与这种标准转变不同，因为它发生在材料的居里温度以下。

超顺磁性发生在单畴的纳米粒子中，即由单个磁畴组成。 当它们的直径低于 3-50 纳米时，这是可能的，具体取决于材料。 在这种情况下，认为纳米粒子的磁化强度是一个单一的巨磁矩，是纳米粒子原子携带的所有单个磁矩的总和。 超顺磁性领域的人称这种宏观自旋近似。

由于纳米粒子的磁各向异性，磁矩通常只有两个彼此反平行的稳定方向，由能垒隔开。 稳定的方向定义了纳米粒子所谓的“易轴”。 在有限温度下，磁化翻转和反转其方向的概率是有限的。 两次翻转之间的平均时间称为 Néel 弛豫时间 τ N {displaystyle tau _{text{N}}} 并由以下 Néel–Arrhenius 方程给出：

τ N = τ 0 exp ⁡ ( K V k B T ) {displaystyle tau _{text{N}}=tau _{0}exp left({frac {KV} {k_{text{B}}T}}right)} ,

在哪里：

• 因此，τ N {displaystyle tau _{text{N}}} 是纳米粒子的磁化因热波动而随机翻转所需的平均时间。
• τ 0 {displaystyle tau _{0}} 是时间长度，材料的特性，称为尝试时间或尝试周期（其倒数称为尝试频率）； 其典型值介于 10−9 和 10−10 秒之间。
• K 是纳米粒子的磁各向异性能量密度，V 是它的体积。 因此，KV 是与磁化强度相关的能垒，磁化强度从其初始易轴方向通过“硬平面”移动到另一个易轴方向。
• kB 是玻尔兹曼常数。
• T 是温度。

这个时间长度可以是几纳秒到几年或更长的时间。 特别是，可以看出 Néel 弛豫时间是晶粒体积的指数函数，这解释了为什么对于大块材料或大纳米粒子，翻转概率可以迅速忽略不计。

让我们想象一下，测量单个超顺磁性纳米粒子的磁化强度，并将 τ m {displaystyle tau _{text{m}}} 定义为测量时间。 如果 τ m ≫ τ N {displaystyle tau _{text{m}}gg tau _{text{N}}} ，纳米粒子磁化在测量过程中会翻转几次， 那么测得的磁化强度将平均为零。 如果 τ m ≪ τ N {displaystyle tau _{text{m}}ll tau _{text{N}}} ，磁化在测量过程中不会翻转，所以 测量的磁化强度将是测量开始时的瞬时磁化强度。 在前一种情况下，纳米粒子似乎处于超顺磁性状态，而在后一种情况下，它似乎在其初始状态下被“阻塞”。

纳米粒子的状态（超顺磁性或阻塞）取决于测量时间。 当 τ m = τ N {displaystyle tau _{text{m}}=tau _{text{N}}} 时，会发生超顺磁性和阻塞态之间的转变。

在几个实验中，测量时间保持不变但温度变化，因此超顺磁性和阻塞状态之间的转变被视为温度的函数。 τ m = τ N {displaystyle tau _{text{m}}=tau _{text{N}}} 的温度称为阻挡温度

对于典型的实验室测量，前面等式中的对数值大约为 20-25。

等效地，阻塞温度是材料表现出缓慢弛豫的温度。